专利名称：氧气闭合循环热动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及热能与动力领域，尤其涉及一种热动力系统。
背景技术：
发动机污染物的排放是当今世界最大的污染源之一，追其根本原因，是由于传统的发动机都是从环境吸气将燃烧的产物排放给环境，这就不可避免地造成对环境的破坏，特别是对大型城市的环境的破坏。为了解决这一问题，本发明人在专利号为201020545744. 9的专利中公开了一种气闭合循环热动力系统，能够从燃烧产物分离出水和二氧化碳，但是如果能够使在热动力系统中参与循环的气体中氧气处于过量状态甚至所有参与循环的气体的绝大部分或完全是氧气，将大幅度提高发动机的效率、升功率并将大幅度减少燃烧过程中剩余的碳氢化合物、一氧化碳以及颗粒。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出的技术方案如下方案1:一种氧气闭合循环热动力系统，包括发动机、非混合式冷凝冷却分离器和液氧源，所述发动机的排气道与所述非混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通，所述发动机的进气道与所述非混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体出口连通；所述液氧源与所述非混合式冷凝冷却分离器的被加热流体入口连通，所述非混合式冷凝冷却分离器的被加热流体出口经所述进气道或经氧源通道与所述发动机的间歇燃烧室连通，在所述液氧源和所述间歇燃烧室之间设液氧源控制阀，所述液氧源控制阀和燃料控制阀受氧过量控制装置控制。方案2 :在方案I的基础上，所述液氧源经所述非混合式冷却分离器的被加热流体通道再经所述氧源通道与所述发动机的间歇燃烧室连通。方案3 :在方案I的基础上，所述非混合式冷凝冷却分离器包括非混合式排气冷却器和非混合式排气深度冷却器，所述排气道依次与所述非混合式排气冷却器和所述非混合式排气深度冷却器连通。方案4 :在方案I的基础上，在所述进气道内设射流泵，所述射流泵的流体出口的气体流动方向与所述进气道内的气体流动方向相同，所述射流泵的动力流体入口与所述非混合式冷凝冷却分离器的被加热流体出口连通。方案5 :在方案I的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述非混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气自身冷却器。方案6 :在方案I的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述非混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气辅助冷却器。方案7 :在方案I的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述非混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气辅助深度冷却器。方案8 :在方案I的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述非混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设降温器。方案9 :在方案I的基础上，所述排气道与透平的工质入口连通，所述透平的工质出口经降温器与叶轮压气机的工质入口连通，所述叶轮压气机的工质出口与所述非混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通。方案10 :在方案I的基础上，在由包括所述液氧源、所述排气道、所述非混合式冷凝冷却分离器、所述进气道或所述氧源通道以及所述间歇燃烧室构成的气体循环回路中，参与循环的气体中的一部分为不凝气。方案11 :在方案I的基础上，所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气储罐，所述不凝气储罐经控制装置与所述气体循环回路连通。方案12 :在方案I的基础上，所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回储压缩机，所述不凝气回储压缩机的进气口经控制阀与所述气体循环回路连通，所述不凝气回储压缩机的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐连通。方案13 :在方案10或11的基础上,所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回收压缩机，所述不凝气回收压缩机的进气口与所述气体循环回路中的不凝气泄露区连通，所述不凝气回收压缩机的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐连通。方案14 :在方案10或11的基础上，所述气体循环回路中的不凝气泄露区通过管道与系统中的低压区连通。方案15 : —种氧气闭合循环热动力系统，包括发动机、混合式冷凝冷却分离器和液氧源，所述发动机的排气道与所述混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通，所述发动机的进气道与所述混合式冷凝冷却分离器的气体出口连通；所述液氧源与所述混合式冷凝冷却分离器的被加热流体入口连通，在所述液氧源和所述间歇燃烧室之间设液氧源控制阀，所述液氧源控制阀和燃料控制阀受氧过量控制装置控制。方案16 :在方案15的基础上,所述混合式冷凝冷却分离器包括混合式排气冷却器和混合式排气深度冷却器，所述排气道依次与所述混合式排气冷却器和所述混合式排气深度冷却器连通。方案17 :在方案15的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气自身冷却器。方案18 :在方案15的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气辅助冷却器。方案19 :在方案15的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设排气辅助深度冷却器。方案20 :在方案15的基础上，在连通所述间歇燃烧室和所述混合式冷凝冷却分离器之间的所述排气道上设降温器。方案21 :在方案15的基础上，所述排气道与透平的工质入口连通，所述透平的工质出口经降温器与叶轮压气机的工质入口连通，所述叶轮压气机的工质出口与所述混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通。方案22 :在方案15的基础上，在由所述液氧源、所述排气道、所述混合式冷凝冷却分离器、所述进气道、所述间歇燃烧室构成的气体循环回路中，参与循环的气体中的一部分为不凝气。
方案23 :在方案22的基础上，所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气储罐，所述不凝气储罐经控制装置与所述气体循环回路连通。方案24 :在方案23的基础上，所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回储压缩机，所述不凝气回储压缩机的进气口经控制阀与所述气体循环回路连通，所述不凝气回储压缩机的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐连通。方案25 :在方案22或23的基础上,所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回收压缩机，所述不凝气回收压缩机的进气口与所述气体循环回路中的不凝气泄露区连通，所述不凝气回收压缩机的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐连通。方案26 :在方案22或23的基础上，所述气体循环回路中的不凝气泄露区通过管道与系统中的低压区连通。方案27 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，在所述进气道上设增压器。方案28 :在方案27的基础上，所述增压器设为叶轮式压气机或罗茨式压气机。方案29 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，在所述排气道上设叶轮动力机构。方案30 :在方案29的基础上，所述叶轮动力机构设为涡轮、透平或罗茨马达。方案31 :在方案29的基础上,所述氧气闭合循环热动力系统还包括附属压气机，所述叶轮动力机构对所述附属压气机输出动力，所述附属压气机的工质出口经附属冷却器与节流膨胀器连通，所述节流膨胀器的工质出口与降温器的被加热流体通道连通，所述降温器的被冷却流体通道与所述排气道连通。方案32 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，所述发动机设为四冲程发动机、二冲程发动机或爆排发动机。方案33 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，所述氧过量控制装置设为动态可调式氧过量控制装置。方案34 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，所述氧气闭合循环热动力系统还包括直连通道，所述直连通道连通所述进气道和所述排气道。方案35 :在方案34的基础上，在所述直连通道上设散热器。方案36 :在方案I至12、15至24任意之一的基础上，所述发动机设为活塞式内燃机。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述非混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于40%。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述非混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于35%。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述非混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于30%。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于40%。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于35%。一种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，调整所述混合式冷凝冷却分离器的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量小于30%。—种改善方案I至12任意之一所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，通过调整所述氧过量控制装置，使所述间歇燃烧室内氧气的过量系数大于1.1。选择性地，可以通过调整所述氧过量控制装置，使所述间歇燃烧室内氧气的过量系数大于1.1、1. 2、1. 3、1. 4、1. 5、1. 6、1. 7、1. 8、1. 9、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 等。一种改善所述氧气闭合循环热动力系统工作状况的方法，在所述间歇燃烧室内燃烧前的氧气的体积浓度是空气中氧气的体积浓度的±10%以内。
本发明的原理是通过所述氧过量控制装置使所述间歇燃烧室内氧气处于过量状态，从而降低燃烧温度，提高燃烧的彻底性，达到降低对所述发动机耐高温材料的要求，提高发动机的效率、降低污染物的排放。本发明中，所谓的间歇燃烧室是指按正时关系发生燃烧反应的燃烧室，每个工作循环中只燃烧一次，且只在一个冲程内燃烧。本发明中，所谓的不凝气是指惰性气体、氮气等在所述氧气闭合循环热动力系统中经冷却后不液化的气体。优选地，所述不凝气为氩气。本发明中，设置所述不凝气回储压缩机的作用是，当系统不工作时，将不凝气从所述气体循环回路中抽出，并存储在所述不凝气储罐中。本发明中，所谓的不凝气泄露区是指系统中发生不凝气泄露的部位，例如，当采用气缸活塞机构时，不凝气泄露到曲轴箱，则所述曲轴箱即为不凝气泄露区，应与不凝气回收压缩机的进气口连通。本发明中，所谓的低压区是指所述氧气闭合循环热动力系统中压力低于所述不凝气泄露区的区域。本发明中，氧过量的程度可以根据所述间歇燃烧室的耐温状况决定，氧过量的程度越大、燃烧的温度越低。本发明中，所谓的氧过量控制装置是指控制向所述间歇燃烧室内导入燃料和导入氧的量，使燃烧化学反应时氧处于过量状态的装置。本发明中，所谓的动态可调式氧过量控制装置是指根据发动机的工况的要求，动态调整间歇燃烧室内氧和燃料的比例的装置。本发明中，通过设置所述动态可调式氧过量控制装置可以调整发动机的负荷响应，当发动机在短时间内需要高功率时，可以减小氧过量系数，即大幅度提高喷油量，达到瞬间大幅度提高输出功率的目的。本发明中，所谓的被冷却流体是指在所述冷凝冷却器中温度被降低的流体，所述被加热流体是指在所述冷凝冷却器中温度被升高的流体。
本发明中，所谓的非混合式冷凝冷却器是指被冷却流体和被加热流体在冷凝冷却器中不混合，分别流过不同的通道的冷凝冷却器；这种冷凝冷却器至少包括被加热流体入口、被加热流体出口、被冷却流体入口、被冷却流体出口和冷凝液体出口。 本发明中，所谓的混合式冷凝冷却器是指被冷却流体和被加热流体在冷凝冷却器中相互混合后，混合气体经同一通道流出的冷凝冷却器；这种冷凝冷却器至少包括被加热流体入口、被冷却流体入口、气体出口和冷凝液体出口。本发明中，所谓的冷凝液体出口为液体水出口和/或液体二氧化碳出口。本发明中，所谓的排气自身冷却器是指利用排气自身的热量将自身冷却的装置。本发明中，所述排气冷却器是指以液氧为冷源对排气进行冷却使水发生液化的冷
却装置。本发明中，所述排气深度冷却器是指以液氧为冷源对排气进行冷却使二氧化碳发生液化的冷却装置。本发明中，所谓的冷凝冷却器是指以液氧为冷源对排气进行冷却使排气降温并使水发生液化或使水和二氧化碳均发生液化的冷却装置。本发明中，所述罗茨马达是指利用所述发动机的排气对外输出动力的罗茨式马达。本发明中，所述叶轮动力机构对所述增压器输出动力。本发明中，所谓的射流泵是指通过动力流体引射非动力流体，两流体相互作用从一个出口排出的装置，所谓的射流泵可以是气体射流泵(即喷射泵)，也可以是液体射流泵；所谓的射流泵可以是传统射流泵，也可以是非传统射流泵。本发明中，所谓的传统射流泵是指由两个套装设置的管构成的，向内管提供高压动力气体，内管高压动力气体在外管内喷射，在内管高压动力气体喷射和外管的共同作用下使内外管之间的其他气体(从外管进入的气体)沿内管高压动力气体的喷射方向产生运动的装置；所谓射流泵的外管可以有缩扩区，外管可以设为文丘里管，内管喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指外管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷射口、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口。本发明中，所谓的非传统射流泵是指由两个或两个以上相互套装设置或相互并列设置的管构成的，其中至少一个管与动力气体源连通，并且动力气体源中的动力气体的流动能够引起其他管中的气体产生定向流动的装置；所谓射流泵的管可以有缩扩区，可以设为文丘里管，管的喷嘴可以设为拉瓦尔喷管，所谓的缩扩区是指管内截面面积发生变化的区域；所述射流泵至少有三个接口或称通道，即射流泵动力气体喷射口、射流泵低压气体入口和射流泵气体出口 ；所述射流泵可以包括多个射流泵动力气体喷射口，在包括多个射流泵动力气体喷射口的结构中，所述射流泵动力气体喷射口可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道中心区，也可以布置在所述射流泵低压气体入口的管道壁附近，所述射流泵动力气体喷射口也可以是环绕所述射流泵低压气体入口管道壁的环形喷射口。本发明中所谓的排气辅助冷却器是指一切可以对排气进行冷却的装置，包括散热器、热动力单元、制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的相互科学组合。所谓的排气冷却器不能液化二氧化碳。本发明中所谓的排气辅助深度冷却器是指一切可以对排气进行冷却和深度冷却达到可使二氧化碳液化和/或固化的程度的装置，包括制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热动力单元、热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的科学组合；或本发明中所谓的排气深度冷却器是指一切以排气自身能量为主要推动力或以液氧、液化燃料、液氮及其他载冷剂为主要冷源对排气进行深度冷却使二氧化碳液化和/或固化的装置，包括制冷系统(含压缩制冷、化学吸附制冷和物理吸附制冷)、热动力单元、热交换器(含混合式和非混合式)等以及这些装置的科学组合。本发明所谓的深度冷却是指冷却强度较强达到二氧化碳液化或固化的程度。本发明中，所谓的附属压气机是指能将新鲜空气进行压缩的装置；所述附属压气机、所述附属冷却器、所述节流膨胀器和所述降温器设置的目的是为了利用排气中的能量将空气进行压缩、散热、节流膨胀降温，以此为冷源将所述发动机的排气在进入利用所述液氧源内的液氧进行冷却前进行进一步降温，以提高对二氧化碳的液化能力。本发明中，所谓的附属冷却器是指为了使被所述附属压气机压缩的新鲜空气的温度降低而设置在所述附属压气机和所述节流膨胀器之间的冷却器。本发明中，所述氧气闭合循环热动力系统中的循环工质除了氧外，还可含有水和二氧化碳。本发明中，所谓的液氧源中的液氧是指氧含量在50%以上的气体液化物，除含有液氧外，还可含有液氮等气体液化物。本发明中，所谓的降温器是指对气体进行降温的装置，可以是散热器，也可以是以降温为目的的热交换器，还可以是混合式降温器。本发明中，所谓的直连通道是指直接将所述进气道和所述排气道连通的通道(例如管道等)，即在设有所述非混合式冷凝冷却器的结构中，使所述排气道中一部分气体不经过所述非混合式冷凝冷却器直接进入所述进气道的连通通道；在设有所述混合式冷凝冷却器的结构中，使所述排气道中一部分气体不经过所述混合式冷凝冷却器直接进入所述进气道的连通通道，其目的是使排气中的一部分气体或某种气体不发生冷凝进入所述进气道参与循环以降低氧在所述间歇燃烧室内气体分压。本发明中所谓连通是指直接连通、经过若干过程(包括与其他物质混合等)的间接连通或经泵、控制阀等受控连通。本发明所公开的氧气闭合循环热动力系统中，氧在燃烧过程中是过量的，这样使得排气中可以含有一定量的氧气，经冷却后，排气中仍为气体的部分回流到间歇燃烧室，重新进入间歇燃烧室的这部分排气(氧气)可以是低压进入，在间歇燃烧室内被压缩；也可以是高压进入，直接和高压进入的氧混合燃烧，不需要进一步压缩。本发明中的液氧可用电网中的谷电和/或垃圾电生产。本发明中，应依据热动力系统内的公知技术在必要的地方设部件、单元或系统，例如控制阀、气门、正时机构、泵等。本发明的有益效果如下本发明所公开的氧气闭合循环热动力系统不仅能够实现零排放或近零排放，而且具有平衡电网的作用。
图1是本发明实施例1所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图2是本发明实施例2所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图3是本发明实施例3所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图4是本发明实施例4所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图5是本发明实施例5所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图6是本发明实施例6所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图7是本发明实施例7所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图8是本发明实施例8所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图9是本发明实施例9所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图10是本发明实施例10所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图11是本发明实施例11所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图12是本发明实施例12所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图13是本发明实施例13所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图14是本发明实施例14所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图15是本发明实施例15所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图16是本发明实施例16所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图17是本发明实施例17所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图18是本发明实施例18所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图19是本发明实施例19所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图20是本发明实施例20所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图21是本发明实施例21所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图22是本发明实施例22所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图23是本发明实施例23所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图24是本发明实施例24所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图25是本发明实施例25所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图26是本发明实施例26所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图；图27是本发明实施例27所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图。图28是本发明实施例28所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图。图29是本发明实施例29所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图。图30是本发明实施例30所述的氧气闭合循环热动力系统的结构图。图中I四冲程发动机；10间歇燃烧室；11排气道；12进气道；15活塞式内燃机；16曲轴箱；17活塞；18气缸；2液氧源；21氧源通道；22液氧源控制阀；31非混合式冷凝冷却分离器；311被冷却流体入口 ；312被冷却流体出口 ；313被加热流体入口 ；314被加热流体出口 ；315排水口 ；316 二氧化碳排出口 ；317非混合式排气冷却器；318非混合式排气深度冷却器；319被加热流体通道；32混合式冷凝冷却分离器；321被冷却流体入口 ；322气体出口 ；323被加热流体入口 ；327混合式排气冷却器；328混合式排气深度冷却器；
4燃料源；42燃料控制阀；5动态可调式氧过量控制装置；61排气自身冷却器；62排气辅助冷却器；63排气辅助深度冷却器；64降温器；7直连通道；71散热器；8不凝气储罐；81控制装置；82不凝气回储压缩机；83控制阀；84控制阀；85不凝气回收压缩机；91射流泵；92透平；93叶轮压气机；94叶轮式压气机；95附属压气机；96附属冷却器；97节流膨胀器；98降温器；99叶轮动力机构；100 二氧化碳储罐。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明实施例1所述的氧气闭合循环热动力系统，包括四冲程发动机1、非混合式冷凝冷却分离器31和液氧源2，所述四冲程发动机I的排气道11与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被冷却流体入口 311连通，所述四冲程发动机I的进气道12与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被冷却流体出口 312连通；所述液氧源2与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被加热流体入口 313连通，所述非混合式冷凝冷却分离器31的被加热流体出口 314经所述进气道12与所述四冲程发动机I的间歇燃烧室10连通，在所述液氧源2和所述间歇燃烧室10之间设液氧源控制阀22，燃料从燃料源4经燃料控制阀42进入所述间歇燃烧室10，所述液氧源控制阀22和所述燃料控制阀42受动态可调式氧过量控制装置5控制，其中，所述四冲程发动机I为活塞式的内燃机，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量与空气中的含氧量相等，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.1。实施例2如图2所示，本发明实施例2所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于所述液氧源经所述非混合式冷却分离器31的被加热流体通道319再经氧源通道21与所述四冲程发动机I的间歇燃烧室10连通，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为15%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1. 5。实施例3如图3所示，本发明实施例3所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于所述非混合式冷凝冷却分离器31包括非混合式排气冷却器317和非混合式排气深度冷却器318，所述排气道11依次与所述非混合式排气冷却器317和所述非混合式排气深度冷却器318的被冷却流体通道连通，所述非混合式排气冷却器317的被冷却流体通道上设有排水口 315，所述非混合式排气深度冷却器318的被冷却流体气体出口与所述四冲程发动机I的进气道12连通，所述非混合式排气深度冷却器318上设有二氧化碳排出口 316，所述二氧化碳排出口 316与二氧化碳储罐100连通，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为18%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为2，另外，在由所述液氧源2、所述排气道11、所述非混合式冷凝冷却分离器31、所述进气道12、所述间歇燃烧室10构成的气体循环回路中，参与循环的气体除了包括由排气中回流进所述进气道12的一部分氧气外，还包括有作为不凝气的氩气。本实施例中通过将排气进行两步冷却，即初步冷却过程和深度冷却过程，从而实现对排气中的液化温度不同的组分进行分离，进而实现对排气各组分的收集以及进一步应用，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为2。实施例4如图4所示，本发明实施例4所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例3的区别在于在所述进气道12内设射流泵91，所述射流泵91的流体出口的气体流动方向与所述进气道12内的气体流动方向相同，所述射流泵91的动力流体入口与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被加热流体出口 314连通，所述射流泵的目的在于为即将进入所述间歇燃烧室内的气体进行增压，其中，所述不凝气设为氦气，且所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气储罐8，所述不凝气储罐8经控制装置81与所述气体循环回路连通，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量为20%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室内氧气的过量系数约为5。实施例5如图5所示，本发明实施例5所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述非混合式冷凝冷却分离器31之间的所述排气道11上设排气自身冷却器61，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室的气体中含氧量为22%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置，使所述间歇燃烧室内氧气的过量系数约为8。实施例6如图6所示，本发明实施例6所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述非混合式冷凝冷却分离器31之间的所述排气道11上设排气辅助冷却器62，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为25%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为10。实施例7如图7所示，本发明实施例7所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述非混合式冷凝冷却分离器31之间的所述排气道11上设排气辅助深度冷却器63，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为28%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为12。实施例8
如图8所示，本发明实施例8所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述非混合式冷凝冷却分离器31之间的所述排气道11上设降温器64，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为27%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为11。实施例9如图9所示，本发明实施例9所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于所述排气道11与透平92的工质入口连通，所述透平92的工质出口经降温器64与叶轮压气机93的工质入口连通，所述叶轮压气机93的工质出口与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被冷却流体入口 311连通，其中，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述非混合式冷凝冷却分离器31的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为31%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为13。实施例10如图10所示，本发明实施例10所述的氧气闭合循环热动力系统，包括四冲程发动机1、混合式冷凝冷却分离器32和液氧源2，所述四冲程发动机I的排气道11与所述混合式冷凝冷却分离器32的被冷却流体入口 311连通，所述四冲程发动机I的进气道12与所述混合式冷凝冷却分离器32的气体出口 322连通；所述液氧源2与所述混合式冷凝冷却分离器32的被加热流体入口 323连通，在所述液氧源2和所述间歇燃烧室10之间设液氧源控制阀22，所述液氧源控制阀22和燃料控制阀42受动态可调式氧过量控制装置5控制，另夕卜，在由所述液氧源2、所述排气道11、所述混合式冷凝冷却分离器32、所述进气道12、所述间歇燃烧室10构成的气体循环回路中，参与循环的气体除了包括由排气中回流进所述进气道12的一部分氧气外，还包括有作为不凝气的氮气，且所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气储罐8，所述不凝气储罐8经控制装置81与所述气体循环回路连通，其中，所述四冲程发动机I设为活塞式内燃机，为了改善所述氧气闭合循环热动力系统的工作状况，调整所述混合式冷凝冷却分离器32的冷却强度使进入所述间歇燃烧室10的气体中含氧量为11%左右，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.5。实施例11如图11所示，本发明实施例11所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于所述混合式冷凝冷却分离器32包括混合式排气冷却器327和混合式排气深度冷却器328，所述排气道11依次与所述混合式排气冷却器327和所述混合式排气深度冷却器328的被冷却流体入口连通，所述混合式排气冷却器327上设有排水口 315，所述混合式排气深度冷却器328上设有二氧化碳排出口 316，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1. 2。实施例12如图12所示，本发明实施例12所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述混合式冷凝冷却分离器32之间的所述排气道11上设排气自身冷却器61，所述排气道11与所述排气自身冷却器61的被冷却流体入口连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.3。实施例13如图13所示，本发明实施例13所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述混合式冷凝冷却分离器32之间的所述排气道11上设排气辅助冷却器62，所述排气道11与所述排气辅助冷却器62的被冷却流体入口连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.4。实施例14如图14所示，本发明实施例14所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述混合式冷凝冷却分离器32之间的所述排气道11上设排气辅助深度冷却器63，所述排气道11与所述排气辅助深度冷却器63的被冷却流体入口连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.6。实施例15如图15所示，本发明实施例15所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在连通所述间歇燃烧室10和所述混合式冷凝冷却分离器32之间的所述排气道11上设降温器64，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.7。实施例16如图16所示，本发明实施例16所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于所述排气道11与透平92的工质入口连通，所述透平92的工质出口经降温器64与叶轮压气机93的工质入口连通，所述叶轮压气机93的工质出口与所述混合式冷凝冷却分离器32的被冷却流体入口 321连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1. 8。实施例17如图17所示，本发明实施例17所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在所述非混合式冷凝冷却分离器31的所述进气道12上设叶轮式压气机94用以对进气增压，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为1.9。实施例18如图18所示，本发明实施例18所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在所述混合式冷凝冷却分离器32的所述进气道12上设叶轮式压气机94用以对进气增压，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为2。实施例19如图19所示，本发明实施例19所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于在所述间歇燃烧室10和所述非混合式冷凝冷却分离器31之间的所述排气道11上设叶轮动力机构99，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为3。实施例20如图20所示，本发明实施例20所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于在所述间歇燃烧室10和所述混合式冷凝冷却分离器32之间的所述排气道11上设叶轮动力机构99，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为4。实施例21如图21所示，本发明实施例21所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例19的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括附属压气机95，所述叶轮动力机构99对所述附属压气机95输出动力，所述附属压气机95的工质出口经附属冷却器96与节流膨胀器97连通，所述节流膨胀器97的工质出口与降温器98的被加热流体通道连通，所述降温器98的被冷却流体通道入口与所述排气道11连通，所述降温器98的被冷却流体通道出口与所述非混合式冷凝冷却分离器31的被冷却流体入口连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为7。实施例22如图22所示，本发明实施例22所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例20的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括附属压气机95，所述叶轮动力机构99对所述附属压气机95输出动力，所述附属压气机95的工质出口经附属冷却器96与节流膨胀器97连通，所述节流膨胀器97的工质出口与降温器98的被加热流体通道连通，所述降温器98的被冷却流体通道入口与所述排气道11连通，所述降温器98的被冷却流体通道出口与所述混合式冷凝冷却分离器32的被冷却流体入口连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为9。实施例23如图23所示，本发明实施例23所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例1的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括直连通道7，所述直连通道7连通所述进气道12和所述排气道11，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为13。实施例24如图24所示，本发明实施例24所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括直连通道7，所述直连通道7连通所述进气道12和所述排气道11。实施例25如图25所示，本发明实施例25所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例23的区别在于在所述直连通道7上设散热器。实施例26如图26所示，本发明实施例26所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例24的区别在于在所述直连通道7上设散热器。实施例27
如图27所示，本发明实施例27所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例4的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回储压缩机82和不凝气回收压缩机85，所述不凝气回储压缩机82的进气口经控制阀83与所述气体循环回路连通，所述不凝气回储压缩机82的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐8连通；所述不凝气回收压缩机85的进气口与所述气体循环回路中的不凝气泄露区连通，所述不凝气泄露区即为曲轴箱16，所述不凝气回收压缩机85的气体出口经控制阀84与所述不凝气储罐8连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为17。实施例28如图28所示，本发明实施例28所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例4的区别在于所述活塞式内燃机15的曲轴箱16通过管道与系统中的低压区连通，由于所述气体循环回路中的不凝气在所述间歇燃烧室10内可能通过活塞17和气缸18之间的间隙泄露到所述曲轴箱16内，从而在所述曲轴箱16内形成一个不凝气泄露区，这样会导致所述气体循环回路中的不凝气的量减少，从而影响所述氧气闭合循环热动力系统的效率，为了避免上述情况的发生，将所述不凝气泄露区通过管道与所述气体循环回路连通，从而将泄露的不凝气再回送至所述气体循环回路，保证系统的效率，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为15。实施例29如图29所示，本发明实施例29所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于所述氧气闭合循环热动力系统还包括不凝气回储压缩机82和不凝气回收压缩机85，所述不凝气回储压缩机82的进气口经控制阀83与所述气体循环回路连通，所述不凝气回储压缩机82的气体出口经控制阀与所述不凝气储罐8连通；所述不凝气回收压缩机85的进气口与所述气体循环回路中的不凝气泄露区连通，所述不凝气泄露区即为曲轴箱16，所述不凝气回收压缩机85的气体出口经控制阀84与所述不凝气储罐8连通，进一步地，调整所述动态可调式氧过量控制装置5，使所述间歇燃烧室10内氧气的过量系数约为19。实施例30如图30所示，本发明实施例30所述的氧气闭合循环热动力系统，其与实施例10的区别在于所述活塞式内燃机15的曲轴箱16通过管道与系统中的低压区连通。显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1.一种氧气闭合循环热动力系统，包括发动机、非混合式冷凝冷却分离器(31)和液氧源(2)，其特征在于所述发动机的排气道(11)与所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被冷却流体入口( 311)连通，所述发动机的进气道(12)与所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被冷却流体出口(312)连通；所述液氧源(2)与所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被加热流体入口(313)连通，所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被加热流体出口(314)经所述进气道(12)或经氧源通道(21)与所述发动机的间歇燃烧室(10)连通，在所述液氧源(2 )和所述间歇燃烧室(10 )之间设液氧源控制阀(22 )，所述液氧源控制阀(22 )和燃料控制阀(42)受氧过量控制装置控制。
2.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于所述液氧源(2)经所述非混合式冷却分离器(31)的被加热流体通道(319)再经所述氧源通道(21)与所述发动机的间歇燃烧室(10)连通。
3.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于所述非混合式冷凝冷却分离器(31)包括非混合式排气冷却器(317)和非混合式排气深度冷却器(318),所述排气道(11)依次与所述非混合式排气冷却器(317 )和所述非混合式排气深度冷却器(318 )连通。
4.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在所述进气道(11)内设射流泵(91)，所述射流泵(91)的流体出口的气体流动方向与所述进气道(12)内的气体流动方向相同，所述射流泵(91)的动力流体入口与所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被加热流体出口(314)连通。
5.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在连通所述间歇燃烧室(10 )和所述非混合式冷凝冷却分离器(31)之间的所述排气道(11)上设排气自身冷却器(61)。
6.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在连通所述间歇燃烧室(10 )和所述非混合式冷凝冷却分离器(31)之间的所述排气道(11)上设排气辅助冷却器(62)。
7.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在连通所述间歇燃烧室(10 )和所述非混合式冷凝冷却分离器(31)之间的所述排气道(11)上设排气辅助深度冷却器(63)。
8.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在连通所述间歇燃烧室(10)和所述非混合式冷凝冷却分离器(31)之间的所述排气道(11)上设降温器(64)。
9.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于所述排气道(11)与透平(92)的工质入口连通，所述透平(92)的工质出口经降温器(64)与叶轮压气机(93)的工质入口连通，所述叶轮压气机(93)的工质出口与所述非混合式冷凝冷却分离器(31)的被冷却流体入口(311)连通。
10.根据权利要求1所述氧气闭合循环热动力系统，其特征在于在由包括所述液氧源(2)、所述排气道(11)、所述非混合式冷凝冷却分离器(31)、所述进气道(12)或所述氧源通道(21)以及所述间歇燃烧室(10)构成的气体循环回路中，参与循环的气体中的一部分为不凝气。
全文摘要
本发明公开了一种氧气闭合循环热动力系统，包括发动机、非混合式冷凝冷却分离器和液氧源，所述发动机的排气道与所述非混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体入口连通，所述发动机的进气道与所述非混合式冷凝冷却分离器的被冷却流体出口连通；所述液氧源与所述非混合式冷凝冷却分离器的被加热流体入口连通，所述非混合式冷凝冷却分离器的被加热流体出口经所述进气道或经氧源通道与所述发动机的间歇燃烧室连通，在所述液氧源和所述间歇燃烧室之间设液氧源控制阀，所述液氧源控制阀和燃料控制阀受氧过量控制装置控制。本发明所公开的氧气闭合循环热动力系统不仅能够实现零排放或近零排放，而且具有平衡电网的作用。
文档编号F02D21/02GK103032157SQ20121052974
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月10日 优先权日2011年12月10日
发明者靳北彪 申请人:摩尔动力(北京)技术股份有限公司